Two-dimensional (2D) materials have attracted numerous attention because of their outstanding electrical, mechanical, and optical characteristics. Since all of conducting (graphene), semiconducting (molybdenum disulfide, $MoS_2$), and insulating (hexagonal boron nitride, h-BN) components can consist of 2D materials, thin film transistors (TFTs) based on 2D materials have been developed. However, several unexplored issues have existed such as interlayer interaction and contact resistance. Furthermore, large-scale application is needed exceeding initial implementation with mechanical exfoliation method. In this study, we developed large-scale, flexible, and transparent TFTs based on 2D materials for active-matrix organic light-emitting diode (AMOLED). For the fundamental process techniques, we developed the large-scale synthesis of uniform h-BN films that was performed by plasma-enhanced atomic layer deposition, and the atomic-scale etching of h-BN films that was performed using Ar plasma at room temperature. Moreover, the heterostructures consist of 2D materials were investigated, including a semiconductor/insulator structure and a semiconductor/conductor structure. In the semiconductor/insulator heterostructures formed by $MoS_2/h-BN$, the interlayer coupling, including interfacial impurities, strain, and exciton-phonon coupling, was studied using temperature-dependent Raman scattering and photoluminescence. In the semiconductor/conductor heterostructures formed by $MoS_2/graphene$, the work function tuning of graphene was investigated to lower the Schottky barrier to reduce the contact resistance. Depending on the above studies and large-scale 2D materials, we developed flexible (bending radius<1 mm) and transparent (transmittance>70%) TFTs with high electrical performance (mobility>$10 cm^2V^{-1}s^{-1}$, on/off current ratio>$10^6$). Finally, we demonstrated the AMOLED exhibiting pixel-by-pixel driving with flexible and transparent TFT array based on 2D materials.
2차원 소재는 뛰어난 전기적, 기계적, 광학적 특성을 바탕으로 큰 관심을 받아왔다. 2차원 소재만으로 전도체(그래핀), 반도체(이황화몰리브덴), 절연체(육방정 질화붕소)의 트랜지스터 구성 요소들을 모두 이룰 수 있어, 2차원 소재 기반의 박막 트랜지스터가 개발되고 있다. 그러나, 세부적인 기초연구와 더불어 기계적 박리법 기반의 초기 구현을 넘어서는 대면적 응용 연구가 더 필요하다. 이에 본 학위 논문에서는 각 2차원 소재 별 기초연구와 함께 능동 구동 유기발광다이오드 디스플레이로 응용이 가능한 대면적의 유연한 투명박막 트랜지스터 연구를 수행했다. 기반기술 연구로는 절연막의 균일한 대면적 합성이 가능한 원자층증착법을 개발하고, 원자 수준의 제어가 가능한 식각 기술을 개발했다. 다음으로, 2차원 이종접합구조에서 반도체/절연체 접합의 온도에 따른 층간 커플링에 대해 분석하고, 반도체/전도체 접합에서 전도체의 일함수를 조절하여 접촉 저항을 제어했다. 위의 각 연구들과 대면적의 2차원 소재들을 융합하여 높은 전기적 특성을 보이는 유연하고 투명한 박막 트랜지스터를 개발했다. 최종적으로, 2차원 소재 기반의 유연한 투명박막 트랜지스터의 배열을 이용하여 개별 픽셀 점멸이 가능한 능동 구동 유기발광 다이오드를 구현했다.
